JP2009224772A

JP2009224772A - 半導体デバイスの製造方法及び半導体デバイス製造装置及び半導体デバイス製造システム

Info

Publication number: JP2009224772A
Application number: JP2009033493A
Authority: JP
Inventors: Akito Hirano; 晃人平野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2009-10-01
Also published as: JP2009224755A

Abstract

【目的】本発明は、窒素成分の抜けが少なく、ゲートリーク電流の増大を抑制することができるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を成膜する、High-kゲート絶縁膜の成膜方法を提供する。
【解決手段】第一の処理部にて、シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜を形成する工程と、シリコン基板を第二の処理部に搬入する工程と、前記ゲート絶縁膜を窒素及び希ガス含有ガスでHigh-kゲート絶縁膜を窒化する工程と、前記窒化された基板を前記第二の処理部でアニール処理する工程とを有する半導体デバイスの製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、被処理基板上に形成された高誘電率ゲート絶縁膜（以下、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜という）の成膜方法を含む半導体デバイスの製造方法、及び基板処理装置及び基板処理システムに係り、特にＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜の窒化技術を改善したものに関する。

近年、半導体デバイスの高集積化及び高速化に伴い、ＭＯＳＦＥＴの微細化がすすんでいる。この微細化によりゲート絶縁膜の薄膜化がすすむと、これまでゲート酸化膜として使われてきた酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）では、トンネル電流等によるゲートリーク電流が増大する。特に、薄膜化が要求されるゲート絶縁膜にあっては、キャパシタ絶縁膜と違って、リーク電流が増大すると、絶縁膜として機能しなくなるため、リーク電流を抑制する必要がある。そこで、ゲートリーク電流を抑制する手段として、ＨｆＯ_２（ハフニア）やＨｆＳｉＯ_ｘ（ハフニウムシリケート）といったＨｉｇｈ−ｋ材料からなるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を用いて、薄い酸化膜換算膜厚を保つと同時に、物理膜厚を厚くするといった手法が考えられている。

しかし、ＨｆＯ_２やＨｆＳｉＯ_ｘといったＨｉｇｈ−ｋ膜は７００℃程度の熱処理によって結晶化する特徴がある。成膜後のＨｉｇｈ−ｋ膜をそのままゲート絶縁膜として用いることができるが、後に行うアニール工程で、ゲート絶縁膜には１０００℃以上の熱が加わるため、ＨｆＯ_２膜やＨｆＳｉＯ_ｘ膜の結晶構造がアモルファスから多結晶に変化する可能性がある。多結晶構造には、必ず結晶粒界が存在するため、ゲート電極に電圧を印加した場合、結晶粒界の欠陥を伝わりリーク電流が増大する。

そこで、結晶化を防止するため、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜に窒素を含有させる方法が提案されている。Ｈｉｇｈ−ｋゲート膜を窒化することにより、窒素とＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜との結合度が高められ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の結晶化を抑制できるからである。従来、窒素の導入には、窒素を含むガス、例えばアンモニア（ＮＨ_３）による熱窒化処理方法が一般的であったが、近年、窒素ガスを用いたプラズマ窒化処理方法が有望視されている（例えば、特許文献１参照）。

このプラズマ窒化処理方法は、プラズマにより単体の窒素（Ｎ_２）ガスを活性化して窒素活性種を生成し、そしてこの窒素活性種をシリコン基板上に形成されたＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中に導入するものである。熱窒化の場合、プラズマ窒化と異なり、１０００℃近くの高温で実施する必要がある。高温で処理されたＨｉｇｈ−ｋ膜は、結晶化現象が起きる。前述の結晶化現象によって、リーク電流が増加する。

一方、プラズマによる窒化処理は、熱による窒化処理よりも低温である。よって、プラズマにより窒化処理されたHigh-kゲート絶縁膜は、熱により窒化されたものより結晶化が少ない。
従って、プラズマにより窒化されたHigh-kゲート絶縁膜は、熱により窒化されたHigh-kゲート絶縁膜と比べ、リーク電流を抑制することができる。
特開２００５−５７１６３号公報

しかし、上記のプラズマ窒化処理方法は、次の問題点がある。
ゲート絶縁膜の場合、キャパシタと比べ、窒素の抜けの量を少なくする必要がある。
キャパシタ等では、窒素抜け量に対して厳密に管理する必要はが無いが、ゲート絶縁膜の場合、リーク電流の抑制や誘電率を高めることに対して高度な要求があるためである。

しかしながら、単に窒素ガスのみで処理を行うプラズマ窒化処理では、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中に窒素を導入したとしても、その窒素がＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜から抜ける量が多い。そのため、窒素ガスのみで処理を行うプラズマ窒化処理では、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜の結晶化を抑制するほどの窒素量を得ることが難しい。
また、導入された窒素は、プラズマ窒化処理の後に行うシリコン基板を加熱する窒化後アニール処理（ＰｏｓｔＮｉｔｒｉｄａｔｉｏｎＡｎｎｅａｌ）によって、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中から多量に抜けてしまう。この現象からも、窒素ガスのみでHigh-kゲート絶縁膜のプラズマ窒化処理を行った場合は、結晶化を抑制できるほどの十分な窒素量を得ることは難しい。これらのことから、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜からゲート電極へ逃げるゲートリーク電流の増加を抑制することが困難であった。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、窒素成分の抜けが少なくゲートリーク電流の増大を抑制できるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を成膜することが可能な半導体デバイスの製造方法、半導体デバイスの製造装置及び半導体デバイスの製造システムを提供することにある。

本発明の一態様によれば、第一の処理部にて、シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜を形成する工程と、シリコン基板を第二の処理部に搬入する工程と、
前記ゲート絶縁膜を窒素及び希ガス含有ガスでHigh-kゲート絶縁膜を窒化する工程と、前記窒化された基板を前記第二の処理部でアニール処理する工程と
を有する半導体デバイスの製造方法を提供する。

また、第二の態様として、シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜を形成するHigh-kゲート絶縁膜形成する第一の処理部と、前記ゲート絶縁膜を窒素及び希ガス含有ガスでHigh-kゲート絶縁膜を窒化し、窒化処理後、アニール処理を行う第二の処理部と、前記High-kゲート絶縁膜上に電極を形成する第三の処理部と、前記電極を囲むように絶縁層を形成する第四の処理部と、各処理部の間で基板を搬送する基板搬送部とを有する半導体デバイス製造システムを提供する。

また、第三の態様として、シリコン基板上に形成されたHigh-kゲート絶縁膜を窒化する装置であって、窒素含有ガス及び希ガス含有ガスを基板処理室に導入する反応ガス導入部と、前記反応ガスをプラズマ状態にするプラズマ生成部と、前記基板処理室の内に設けられ、基板を載置する基板載置部と、基板を加熱する基板加熱部と、High-kゲート絶縁膜を有する基板が前記処理室へ搬入された後、窒素含有ガス及び希ガス含有ガスを導入し、導入されたガスをプラズマ状態とし基板を窒化処理し、その後希ガスの導入を停止するよう制御する制御部とを有する半導体デバイス製造装置を提供する。

本発明は、窒素成分の抜けが少なく、ゲートリーク電流の増大を抑制することができるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を成膜することができるという効果を有する。

High-kゲート絶縁膜を採用した半導体装置（デバイス）の製造方法の一例を説明する。
本発明は、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を窒化する時、窒素と希ガスとの混合ガスによっ
てプラズマ窒化処理を行う。この処理を行うことで、単に窒素ガスのみを用いてプラズマ窒化処理を行った場合と比べ、窒素とＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜との結合度を強化し、窒素成分の抜けを少なくすることが可能となる。その結果、高温処理をしても結晶化が抑制され、ゲートリーク電流を抑制することができる。

以下に本発明の実施の形態を図２を用いて説明する。
対象となる半導体デバイスは、図２に示すように、シリコン基板（シリコンウエハ）２００にソース１０１、ドレイン１０２が形成され、ソース・ドレインの間にＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜３０を介してポリシリコン電極３２が形成されたＭＯＳＦＥＴである。
本実施形態では、High-kゲート絶縁膜30の形成、High-kゲート絶縁膜の窒化処理、窒化されたHigh-kゲート絶縁膜のアニール処理、アニール処理後のポリシリコン電極形成処理を、例えば図７に示すような半導体デバイス製造システムとしてのクラスタ装置を用いて行なう。図７に示すクラスタ装置は、キャリアステーション（ロードポート）１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、大気雰囲気用移載器１２と、基板位置補正ユニット１３と、ロードロック室１４と、真空雰囲気用移載器２１（基板搬送部）が設けられた搬送室１５と、第一の処理部１６と、第二の処理部１７と、第三の処理部１８と、第四の処理部１９から構成されている。各処理部は、コントローラ２２により制御されている。各処理室については後述する。

以下このクラスタ装置を用いた処理フローを具体的に説明する。尚、以下の説明において、クラスタ装置を構成する各部の動作は、制御部としてのコントローラ２２により制御される。
ウエハ２００は、そのウエハ表面にＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜３０を形成するために、基板搬送部２１を介して第一の処理部としてのＨｉｇｈ−ｋ成膜装置１６に搬入される。このＨｉｇｈ−ｋ成膜装置１６では、例えばＰＬＣＶＤ（Ｐｏｌｙ−ａｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＣＶＤ）法を用いて、リモートプラズマ酸素やオゾン（Ｏ_３）、及びＨｆやＳｉを含んだ有機金属材料をウエハ２００の表面に導入して、ＨｆＯ_２やＨｆＳｉＯ_ｘといった金属酸化膜であるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜３０を成膜する（ステップ３０１）。

High-kゲート絶縁膜形成後、ウエハ200は、基板搬送部２１を介して、後に詳細に説明する第二の処理部としてのMMT装置１７に搬入される。MMT装置１７にてHigh-kゲート絶縁膜は窒化される（ステップ３０２）。

窒化処理後、ウエハ２００は、基板搬送部２１を介して、第三の処理部であるRTP装置１８に搬入される。RTP装置１８にて、窒化されたHigh-kゲート絶縁膜にはアニール処理が施される。このアニール処理によって、High-kゲート絶縁膜と窒素の結合度を高くすることができ、その結果、よりリーク電流を防止することができる。（ステップ３０３）

アニール処理後、ウエハ２００は、基板搬送部２１を介して第四の処理部としての電極形成装置１９に搬送される。窒化されアニールされたHigh-kゲート絶縁膜上に、ゲート電極（ポリシリコン電極）32がを形成される。

ゲート電極32を形成後、ウエハ２００をクラスタ装置から絶縁層形成装置へ搬送する。絶縁層形成装置では、ゲート電極32を覆うように、例えばシリコン窒化膜（Si3N4膜）等からなる絶縁層34を形成する。絶縁層34を構成するSi3N4膜は、例えばSiH2Cl2ガスとNH3ガスとを用いて、CVD法により形成する。

絶縁層34を形成した後、ウエハをイオン注入装置に搬入し、シリコンウエハ200の主面にｎ型不純物を添加した不純物領域であるソース101およびドレイン102をイオン注入法等により形成する。ソース101およびドレイン102の間には、チャネル領域103が形成される。
以上の流れにより、半導体デバイスのゲート部分の製造がなされる。

尚、上記の各装置間を含むシステムにおいて一つまたは複数の搬送装置により基板を搬送することは、言うまでも無い。

続いて、本発明のHigh-kゲート絶縁膜を窒化処理する窒化装置の一態様である基板処理装置としてのＭＭＴ装置について説明する。

本発明の一態様のプラズマ処理炉は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（ＭｏｄｉｆｉｅｄＭａｇｎｅｔｒｏｎＴｙｐｅｄＰｌａｓｍａＳｏｕｒｃｅ）を用いてウエハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を導入して電界を形成するとともに磁界を形成し、マグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。

図１は、本発明の第一実施形態に係る基板処理装置となる上述したようなＭＭＴ装置の概略構成図を示している。
ＭＭＴ装置は、処理容器２０３を有し、この処理容器２０３は、第１の容器であるドーム型の上側容器２１０と第２の容器である碗型の下側容器２１１により形成され、上側容器２１０は下側容器２１１の上に被せられている。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。また後述するヒータ一体型の基板保持具（基板保持手段）であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英等の非金属材料で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。

シャワーヘッド２３６は、処理室２０１の上部に設けられ、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備えている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。

ガス導入口２３４には、ガスを導入するガス導入管２３２が接続されており、ガス導入管２３２は、開閉弁であるバルブ２４３ａ、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１を介して図中省略の反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド２３６（反応ガス導入部）から反応ガス２３０が処理室２０１に導入され、また、サセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側壁にガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５にはガスを排気するガス排気管２３１が接続されており、ガス排気管２３１は、圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。

導入される反応ガス２３０を励起させ、プラズマ状態に生成する放電機構（放電部）として、筒状、例えば円筒状に形成された第１の電極である筒状電極２１５が設けられる（プラズマ生成部）。筒状電極２１５は処理容器２０３（上側容器２１０）の外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力を印加する高周波電源２７３が接
続されている。

また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成部）である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石となっている。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石２１６、２１６の磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極２１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。

処理室２０１の底側中央には、基板であるウエハ２００を保持するための基板保持具（基板載置部）としてサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムやセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構（基板加熱部）としてのヒータ２１７ｂが一体的に埋め込まれており、ウエハ２００を加熱できるようになっている。ヒータ２１７ｂは電力が印加されてウエハ２００を５００℃程度にまで加熱できるようになっている。尚、ウエハを加熱する加熱部は、ここではサセプタに埋め込まれる構造としたが、それに限るものではない。即ち、処理室外部にヒータを設け、それによりウエハを加熱しても良い。また処理室内であっても、サセプタ以外の場所にヒータを設けても良い。
また、本装置をRTP装置としても用いる場合は、ウエハ温度を1050℃まで高めることができるよう、ヒータ２１７ｂを設定する。
更に、前述のヒータ２１７ｂが５００℃程度までの加熱に設定される場合は、別にRTP用ヒータを設け、サセプタに設けたヒータ２１７ｂとRTP用ヒータでウエハの加熱を行っても良い。
この場合、窒化処理時は、ヒータがウエハを５００℃程度まで加熱し、後のアニール処理時には、ヒータ２１７ｂとＲＴＰ用ヒータで、ウエハを１０５０℃程度まで加熱する。

また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを変化させるための電極である第２の電極も装備されており、この第２の電極がインピーダンス可変機構２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記電極及びサセプタ２１７を介してウエハ２００の電位を制御できるようになっている。

ウエハ２００をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための処理炉２０２は、少なくとも処理室２０１、処理容器２０３、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口２３５から構成されており、処理室２０１でウエハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。

筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。

サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、下側容器２１１底面にはウエハ２００を突上げるためのウエハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウエハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａ及びウエハ突上げピン２６６が配置される。

また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いて
いる時には基板搬送部（搬送手段）２１により処理室２０１に対してウエハ２００を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。

また、制御部（制御手段）としてのコントローラ１２１は信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８を、信号線Ｃを通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｄを通じて整合器２７２、高周波電源２７３を、信号線Ｅを通じてマスフローコントローラ２４１、バルブ２４３ａを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２７４をそれぞれ制御するよう構成されている。

続いて、上記ＭＭＴ装置１７を用いたHigh-kゲート絶縁膜の窒化処理について、説明する。尚、以下の説明において、ＭＭＴ装置を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜３０の形成が終わったウエハ２００は、Ｈｉｇｈ−ｋ成膜装置１６から基板搬送部２１を介して図１に示すＭＭＴ装置へ搬送される。
ウエハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１の外部からウエハを搬送する基板搬送部２１によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。ここで、サセプタ２１７上に搬送されるウエハ２００は、シリコン基板上にＨｆＯ_２もしくはＨｆＳｉＯ_ｘといったＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜が形成された構造を持つウエハである。なお、ＨｆＳｉＯ_ｘ膜はシリコンウエハ表面とＨｆＯ_２膜との間の界面に形成される膜層であることもある。

この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ２１７が基板搬送位置まで下降し、ウエハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過する。このときサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン２６６が突き出された状態となる。次に、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開かれ、基板搬送部２１によってウエハ２００をウエハ突上げピン２６６の先端に載置する。基板搬送部２１が処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉じられる。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウエハ２００を載置することができ、更にウエハ２００を処理する位置まで上昇する。

サセプタ２１７に埋め込まれたヒータ217ｂは予め加熱されており、搬入されたウエハ２００を２００〜５００℃の範囲の内、所定のウエハ処理温度に加熱する。

このとき、ウエハ温度は２００℃より高い温度で、かつ５００℃未満とするよう、ヒータを制御する。
プラズマ窒化処理の温度を２００℃以上５００℃未満とするとことで、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜と窒素との結合度が強くなる。これにより、後述する窒化後アニール（ＰＮＡ）処理での窒素の抜けが少なく、結晶化もより確実に抑制でき、リーク電流をより確実に抑制することができる。
また、プラズマ窒化処理温度は、５００℃以上としないこととする。５００℃以上とした場合、界面のＳｉ（シリコン）にまで窒素が熱拡散し、ＭＯＳＦＥＴの移動度低下が起きてしまう。また、高温化により、結晶化されてしまい、ゲートリーク電流が増加してしまう。したがって、プラズマ窒化処理温度は２００℃より高く、５００℃未満とすることが望ましい。

また、より好ましくは、ウエハ温度を、３００℃以上５００℃未満、その中でも４００℃近辺とする。３００℃以上とすることで、２００℃以上３００℃未満の場合より、ＰＮＡ処理による窒素の抜け量の抑制が顕著となるためである。

ウエハ２００の温度が処理温度に達した後、ウエハ温度が安定したら、ガス導入口２３４から遮蔽プレート２４０のガス吹出口２３９を介して、事前に混合した窒素ガスと希ガスとの混合ガスを処理室２０１に配置されているウエハ２００の主面（処理面）に向けて導入する。このときの混合ガス流量は所定の流量とする。ここで、希ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）を挙げることができる。また、希ガスを添加する際、添加量に応じてＮ_２の量を多くするとよい。

真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を所定の１〜１０Ｐａの範囲の内、所定の圧力に維持する。

同時に筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、３００〜７００Ｗの範囲の内、所定の出力値を投入する。このときインピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。このバイアス制御によりウエハ２００に入射するプラズマのエネルギーを調整することができる。

筒状磁石２１６、２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウエハ２００の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に、窒素ガスと希ガスによる混合ガスの高密度プラズマが生成される。そして、この高密度プラズマによって窒素活性種を生成する。生成した窒素活性種により、ウエハ２００上のＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜にプラズマ窒化処理が施され、ゲート絶縁膜中に窒素を導入する（図２のステップ３０２に相当）。
窒素と希ガスとの流量比を１：９〜１：１９とした混合ガスを用いる。このような条件により、高濃度の窒化処理を行うことができる。
プラズマによって生成した窒素活性種は、サセプタ２１７上のウエハ２００へ突入するプラズマエネルギーを制御することができるインピーダンス可変機構２７４を用いることで、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中に導入する窒素の深さプロファイル制御が可能である。

プラズマ窒化処理後、希ガスの導入を停止し、この停止と略同じタイミングでマグネトロン放電を停止する。このとき、処理室２０１は窒素Ｎ_２ガスのみの雰囲気となる。

プラズマ窒化処理が終わったウエハ２００は、基板搬送部２１を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。

処理室２０１外へ搬送されたプラズマ窒化処理済みのウエハ２００は、ＲＴＰ装置へ基板搬入される。アニール装置には例えばＲＴＰ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ）装置を用いる。ＲＴＰ装置は例えばランプを用いた急速加熱装置である。ウエハ表面側から温度プローブにて測定される温度を検出し、フィードバック制御をしながら、ウエハ裏面側に配置したランプで加熱を行う。ランプは、ゾーンごとにわけて、ウエハ面内温度が均一になるように投入出力を調整しているが、ウエハ面内の温度均一性をさらに向上させるために、回転機構によりウエハを回転している。
このＲＴＰ装置で、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜と窒素の結合度を高くするため、ウエハ２００に窒化後アニール処理、即ちＰＮＡ（ＰｏｓｔＮｉｔｒｉｄａｔｉｏｎＡｎｎｅａｌ）処理を施す。

また、窒化処理後、ウエハを他の処理室に移動せずに、前述のMMT装置によりPNA処理を行っても良い。
この場合、まず窒化処理時に導入した希ガスの導入を停止する。この停止と略同じタイミングでマグネトロン放電を停止する。窒素は、窒化処理に引き続き導入される。よって、
処理室２０１は窒素Ｎ_２ガスのみの雰囲気となる。ヒータ217ｂは、処理室が窒素雰囲気を維持した状態で、ウエハを加熱し続ける。

さて、ゲート絶縁膜中に導入された窒素は、時間の経過と共に、ゲート絶縁膜から抜けてしまうという問題がある。しかしながら、前述のように窒化処理を行った直後、ウエハを他の処理室に移動せず、同一処理室でPNA処理を行うことで、導入された多くの窒素が、High-k膜と結合し、High-kゲート絶縁膜に残留することが可能となる。
特に、窒化処理に引き続き、同じ処理室でアニール処理を行うと、アニール処理が始まるまでの時間の経過が少ないことから、High-kゲート絶縁膜から抜ける窒素の量が少なくすることができる。
さらに、この場合、ウエハ２００は処理室を移動しないので、処理済みウエハの汚染をより抑制することができる。
（図２ステップ３０３に相当）。

アニール処理が終わったウエハ２００は、基板搬送部２１を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室外へ搬送される。

続いて、窒化処理の具体例について説明する。
プラズマ窒化処理には図１に示すＭＭＴ装置を用いる。
また、例えば図３、４に示すように、次のような複数のガス混合パターンにより窒化を行う。

ここでは、ＭＭＴ装置の処理室内に導入する反応ガスを、窒素（Ｎ_２）のみ、窒素とＡｒ（Ｎ_２＋Ａｒ）混合ガス、窒素とＨｅ（Ｎ_２＋Ｈｅ）混合ガスとし、各反応ガスを用いて、シリコンウエハ上に形成されているＨｆＳｉＯゲート絶縁膜のプラズマ窒化処理を行った。

このときの窒化条件は、Ｎ_２＋Ｈｅ混合ガスを用いた場合のみウエハ温度を２００℃、４００℃と変化させ、Ｎ_２のみ、Ｎ_２＋Ａｒ混合ガスを用いた場合は、ともに４００℃のみとした。
また、処理室内の圧力１〜１０Ｐａ、ＲＦパワー３００〜７００Ｗ、Ｎ_２とＡｒの流量比を１：９〜１：１９、Ｎ_２とＨｅの流量比を１：９〜１：１９とした。
また、プラズマ窒化した直後にに、ウエハを他の処理室に移動せずに、ＰＮＡ処理を施した。
ＰＮＡ処理条件は、処理室を窒素雰囲気とし、このときのウエハ温度は１０５０℃、アニール処理時間は１０秒とした。

図３には、ウエハ温度４００℃の条件で、反応ガスを変えたときのＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜にプラズマ窒化処理した直後と、プラズマ窒化処理後にＰＮＡ処理を施した後とで、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ｘ線光電子分光）で求めた膜中窒素濃度により、窒素原子含有量を相対比較した結果を示す。図３からわかるように、反応ガスに応じた窒素原子含有量の大小関係は、Ｎ_２のみ＜（Ｎ_２＋Ａｒ）＜（Ｎ_２＋Ｈｅ）であり、希ガスの中でも、特にＨｅを用いたときが良好であった。Ｎ_２＋Ｈｅ混合ガスを用いてプラズマ窒化処理した場合、ＰＮＡ処理後のＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中の窒素濃度（ＸＰＳ）は１５％に達しており、Ｎ_２ガス単独、もしくはＮ_２にＡｒを添加した混合ガスを用いてプラズマ窒化処理した場合と比較してもかなり高濃度であることがわかった。

図４はウエハ温度２００℃の条件で、反応ガスをＮ_２＋Ｈｅ混合ガスとしたときのＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜にプラズマ窒化処理した直後と、プラズマ窒化処理後にＰＮＡ処理
を施した後とで、ＸＲＦで求めた膜中窒素濃度により、窒素原子含有量を相対比較した結果を示す。この図４と図３とを比較すると分かるように、Ｎ_２＋Ｈｅ混合ガスの場合、窒化温度の低温化で、ＰＮＡによる窒素抜けが顕著になっていることがわかった。

上述した実施の形態は、被処理基板上にＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を成膜する工程と、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜に対して窒素ガスと希ガスとの混合ガスによりプラズマ窒化処理を行う工程とを含む半導体デバイスの製造方法である。この本実施の形態によれば、以下に挙げる一つ又はそれ以上の効果を奏する。

（１）窒素ガスと希ガスとの混合ガスによりプラズマ窒化処理を行うので、単に窒化処理を行う場合と比べてＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜からの窒素の抜けを少なくすることができ、ゲートリーク電流の増大を確実に抑制できる。

（２）プラズマで活性化された窒素活性種が、Ｓｉ−ＯＨ結合中のＨと置き換わってＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中に導入されるので、膜中の窒素濃度を上げることができる。

（３）窒素ガスに希ガスを混合した混合ガスのプラズマを用い、シリコンウエハに形成されたＨｆＯ_２やＨｆＳｉＯ_ｘからなるＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜に対して、プラズマで生成した窒素活性種を用いて窒素を導入する。このとき、希ガスの高い電離電圧エネルギーが窒素分子に受け渡される効果、いわゆるペニング効果により、窒素活性種の生成効率が高まり、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中に多くの窒素を導入できる。しかも、プラズマを用いて窒化処理することにより、膜中に導入された窒素とＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜との結合部度が向上するため、その後のＰＮＡによってもＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中の窒素抜け量（窒素脱離量）を少なくすることができ、窒素濃度を十分に確保することができる。
ゆえに、結晶化の抑制が十分に成され、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜中の結晶粒界に起因するゲートリーク電流の増加を確実に抑制することができる。

（４）希ガスがＨｅであると、アルゴン（Ａｒ）など他の希ガスに比べ、窒素の抜けをより少なくすることができる。

（５）また、プラズマ窒化処理温度は３００℃以上５００℃未満とすると、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜と窒素との結合度が強くなり、窒化後アニール（ＰＮＡ）処理での窒素の抜けが少なく、結晶化もより確実に抑制でき、リーク電流をより確実に抑制できる。窒化時の温度が低く３００℃未満の場合、窒素抜けにより比誘電率の向上を図ることができない。また、ゲートリーク電流低減や後工程に対する耐熱性向上を図ることもできない。また、ＰＮＡでは窒素の抜けが多くなるので、３００℃以上が望ましい。また、プラズマ窒化処理温度は、５００℃以上としないこととする。５００℃以上とした場合、界面のＳｉ（シリコン）にまで窒素が熱拡散し、ＭＯＳＦＥＴの移動度低下が起きてしまう。また、高温化により、結晶化されてしまい、ゲートリーク電流が増加する。したがって、プラズマ窒化処理温度は３００℃以上５００℃未満とすることが好ましい。

（６）また、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜にＰＮＡを行うと、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜と窒素の結合度がより高くなるため、ゲートリーク電流をより高レベルで抑制することができる。

（７）また、バイアス制御によりウエハに入射するプラズマのエネルギーを調整することができるＭＭＴ装置を用いたので、ＨｆＯ_２、ＨｆＳｉＯ_ｘといったＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜をプラズマで窒化する際に、窒素のプロファイル制御と窒素量の制御を容易にして、高濃度の窒素導入とその窒素プロファイルを制御することができ、プラズマ窒化によ
り結晶化を有効に抑制できる。したがって、ゲートリーク電流をより確実に抑制することができる。

なお上述した実施の形態では、ＭＭＴ装置を用いてプラズマ窒化を実施する場合を説明したが、本発明は、それに限らずその他の装置 BR>A例えばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）装置を用いても実施可能である。

図５は本発明の第二実施形態に係る基板処理装置であるＩＣＰ方式プラズマ処理装置を示している。本実施の形態にかかる構成の詳細な説明は、前記第一実施形態と同様の機能を有する構成要件に同一の符号を付して省略する。
本実施形態に係るＩＣＰ方式プラズマ処理装置１０Ａは、電力を導入してプラズマを生成するプラズマ生成部としての誘導コイル１５Ａを備えており、誘導コイル１５Ａは処理容器２０２の天井壁の外側に敷設されている。本実施の形態においても、窒素ガスと希ガスとの混合ガスをガス導入管２３２から、ガス吹出口２３４を経由して処理容器２０２へ導入する。また、ガス導入と前後して、プラズマ生成部である誘導コイル１５Ａへ高周波電力を流すと、電磁誘導により電界が生じる。この電界をエネルギーとして、導入されたガスはプラズマ化され、このプラズマにより窒素活性種が生成され、ウエハ２００上のＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を窒化する。

図６は本発明の第三実施形態に係る基板処理装置であるＥＣＲ方式プラズマ処理装置を示している。本実施の形態にかかる構成の詳細な説明は、前記実施形態と同様の機能を有する構成要件に同一符号を付して省略する。
本実施形態に係るＥＣＲ方式プラズマ処理装置１０Ｂは、マイクロ波を導入してプラズマを生成するプラズマ生成部としてのマイクロ波導入管ｌ７Ｂを備えている。本実施の形態においても、窒素ガスと希ガスとの混合ガスをガス導入管２３２から、ガス吹出口２３４を経由して処理容器２０２へ導入する。また、ガス導入と前後して、プラズマ生成部であるマイクロ波導入管１７Ｂへマイクロ波１８Ｂを導入し、その後マイクロ波１８Ｂを処理室２０１へ放射させる。導入されたガスは、このマイクロ波１８Ｂによりプラズマ化され、このプラズマにより窒素活性種が生成され、ウエハ２００上のＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を窒化する。

尚、前述した実施例では、RTP装置によって窒化処理されたウエハを加熱処理する方法、又は窒化処理した第二の処理室（MMT装置）で、窒化後処理後にウエハを加熱処理する方法を説明したが、それに限るものではない。
第二の処理室で加熱処理を行い、加熱されたウエハをRTP装置に搬送し、更にRTP装置にて加熱処理しても良い。
この場合、MMT装置で一度加熱しているので、窒素とHigh-k膜との結合度が高くなる上、さらにRTP装置で高温の加熱処理を行っているので、より多くの窒素がHigh-k膜と結合することが可能となり、その結果リーク電流をより抑制することが可能となる。

（付記）
本発明は以下の実施の態様を含む。

（付記１）
被処理基板上に形成されたＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜に対して、窒素と希ガスとの混合ガスによりプラズマ窒化処理を行う工程を含む半導体デバイスの製造方法。
これによれば、下記のいずれか一つ、またはそれ以上の効果を奏する。窒素と希ガスとの混合ガスによりプラズマ窒化処理を行うので、単に窒化処理を行う場合と比べてＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜からの窒素の抜けを確実に抑制することができる。窒素の抜けを抑制
できるので、結晶化が抑制され、ゲートリーク電流を低減することができる。また、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜と窒素との結合度部が向上するので、耐熱性の向上を図ることができる。さらに、ゲート絶縁膜にＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜を用いるので、ゲート絶縁膜の比誘電率を向上できる。

（付記２）
前記希ガスがＨｅである付記１の半導体デバイスの製造方法。
希ガスがＨｅであると、Ａｒなど他の希ガスに比べ、窒素の抜けをより確実に抑制することができる。

（付記３）
前記プラズマ窒化処理の温度を３００℃以上５００℃未満とする付記１の半導体デバイスの製造方法。
プラズマ窒化処理温度は３００℃以上５００℃未満が好ましい。窒化処理温度が３００℃以上５００℃未満であれば、窒化後アニール（ＰＮＡ）処理での窒素の抜けが少なく、結晶化も抑制できる。

（付記４）
前記プラズマ窒化処理後、アニール処理を行う付記１の半導体デバイスの製造方法。
プラズマ窒化処理後、アニール処理を行うと、Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜と窒素の結合度が高くなるため、ゲートリーク電流をより高レベルで抑制することができる。

（付記５）
半導体基板表面に形成された高誘電材料からなる金属酸化膜を、窒素とヘリウムとの混合ガスによるプラズマで窒化して、窒素を含有する金属酸化膜を形成することを特徴とした基板処理方法。

（付記６）
付記１においてプラズマによる窒化を、圧力１〜１０Ｐａ、ＲＦパワー３００〜７００Ｗ、窒素ガス、Ｈｅガスの流量比を１：９〜１：１９で実施することを特徴とした基板処理方法。

（付記７）
付記１においてプラズマによる窒化を、圧力１〜１０Ｐａ、ＲＦパワー３００〜７００Ｗ、窒素ガス、Ａｒガスの流量比を１：９〜１：１９で実施することを特徴とした基板処理方法。

(付記８)
シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を窒素及び希ガス含有ガスでHigh-kゲート絶縁膜を窒化する工程と、前記High-kゲート絶縁膜上に電極を形成する工程と、前記電極を囲むように絶縁層を形成する工程とを有する半導体デバイスの製造方法。

(付記9)
前記希ガスがヘリウムである付記8記載の半導体デバイスの製造方法。

(付記10)
前記High-kゲート絶縁膜を窒化処理する工程の後で、電極を形成する工程の前に、ウエハを加熱処理する工程を有する付記8乃至9記載の半導体デバイスの製造方法。

（付記11）
前記High-kゲート絶縁膜の窒化処理は、基板温度を２００℃以上５００℃以下として行なう付記8乃至10記載の半導体デバイスの製造方法。

（付記12）
前記High-kゲート絶縁膜の窒化処理は、基板温度を３００℃以上５００℃未満とする付記8乃至10記載の半導体デバイスの製造方法。

(付記13)
シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜形成する第一の処理部と、窒素及び希ガス含有ガスで前記High-kゲート絶縁膜を窒化する第二の処理部と、前記High-kゲート絶縁膜上に電極を形成する第三の処理部と、前記電極を囲むように絶縁層を形成する第四の処理部と、各処理部の間で基板を搬送する基板搬送部を有する半導体デバイス製造システム。

(付記14)
前記High-kゲート絶縁膜を窒化後、加熱処理を行う基板加熱部を有する付記13記載の半導体デバイス製造システム。

(付記15)
シリコン基板上に形成されたHigh-kゲート絶縁膜を窒化する装置であって、窒素含有ガス及び希ガス含有ガスを基板処理室に導入する反応ガス導入部と、前記反応ガスをプラズマ状態にするプラズマ生成部と、前記基板処理室の内に設けられ、基板を載置する基板載置部と、基板を加熱する基板加熱部と、High-kゲート絶縁膜を有する基板が前記処理室へ搬入された後、窒素含有ガス及び希ガス含有ガスを導入し、導入されたガスをプラズマ状態とし、基板を窒化処理するよう制御する制御部とを有する半導体デバイス製造装置。

(付記16)
前記希ガスがヘリウムである付記15記載の半導体デバイス製造装置。

（付記17）
前記制御部は、High-kゲート絶縁膜の窒化処理を行った後、プラズマ生成部を停止し、その後ウエハを加熱処理するよう基板加熱部を制御する付記15乃至16記載の半導体デバイスの製造装置。

（付記18）
前記制御部は、前記High-kゲート絶縁膜の窒化処理時、基板温度を２００℃以上５００℃未満とするよう前記加熱部を制御する付記15乃至17記載の半導体デバイスの製造装置。

（付記19）
前記制御部は、前記High-kゲート絶縁膜の窒化処理時、基板温度を３００℃以上５００℃未満とするよう前記加熱部を制御する付記15乃至17記載の半導体デバイスの製造装置。

本発明の第一実施形態に係る基板処理装置であるＭＭＴ装置を示す概略構成図である。本発明の第一実施形態に係る半導体デバイスの製造方法の説明図である。反応ガスを変えたときのウエハ温度４００℃におけるＨｆＳｉＯ_ｘ膜に対するプラズマ窒化直後、ＰＮＡ後の膜中窒素濃度の比較結果を示す図である。ウエハ温度２００℃におけるＨｆＳｉＯ_ｘ膜に対するプラズマ窒化直後、ＰＮＡ後の膜中窒素濃度の比較結果を示す図である。本発明の第二実施形態に係る基板処理装置であるＩＣＰ方式プラズマ処理装置を示す概略構成図である。本発明の第三実施形態に係る基板処理装置であるＥＣＲ方式プラズマ処理装置を示す概略構成図である。本発明のクラスタ装置を示す概略構成図である。

２００ウエハ（被処理基板）
２１６筒状磁石
２１５筒状電極
２２４プラズマ生成領域
２３０反応ガス
２３４ガス導入口

Claims

第一の処理部にて、シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜を形成する工程と、
シリコン基板を第二の処理部に搬入する工程と、
前記ゲート絶縁膜を窒素及び希ガス含有ガスでHigh-kゲート絶縁膜を窒化する工程と、
前記窒化された基板を前記第二の処理部でアニール処理する工程と
を有する半導体デバイスの製造方法。
前記希ガスがヘリウムである請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
前記絶縁膜を窒化する工程では、ウエハ温度を200℃以上500℃とする半導体デバイスの製造方法。
シリコン基板上にHigh-kゲート絶縁膜を形成するHigh-kゲート絶縁膜形成する第一の処理部と、
前記ゲート絶縁膜を窒素及び希ガス含有ガスでHigh-kゲート絶縁膜を窒化し、窒化処理後、アニール処理を行う第二の処理部と、
前記High-kゲート絶縁膜上に電極を形成する第三の処理部と、
前記電極を囲むように絶縁層を形成する第四の処理部と、
各処理部の間で基板を搬送する基板搬送部と
を有する半導体デバイス製造システム。
シリコン基板上に形成されたHigh-kゲート絶縁膜を窒化する装置であって、
窒素含有ガス及び希ガス含有ガスを基板処理室に導入する反応ガス導入部と、
前記反応ガスをプラズマ状態にするプラズマ生成部と、
前記基板処理室の内に設けられ、基板を載置する基板載置部と、
基板を加熱する基板加熱部と、
High-kゲート絶縁膜を有する基板が前記処理室へ搬入された後、窒素含有ガス及び希ガス含有ガスを導入し、導入されたガスをプラズマ状態とし基板を窒化処理し、その後希ガスの導入を停止するよう制御する制御部と
を有する半導体デバイス製造装置。